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預應力鋼結構十問
發布時間：2014-07-15
一、什么是預應力鋼結構？預應力技術古已有之，乃先人藉此改善生活用具的性能、加固補強勞作工具的一種工藝。譬如，撐起布傘可以防雨擋風，這時就引入了預應力；木桶套箍，可以耐久防漏，這時就引入了預應力。但是，在現代鋼結構工程中引入預應力，卻是60年前的事情。人們在鋼結構設計、制造、施工、加固過程中，人為地在承重體系中引入與外荷載應力符號相反的預加應力以抵消荷載應力峰值，增強結構剛度及穩定性，改善結構其它屬性以及利用預應力技術創建新體系的都可稱之為預應力鋼結構。不論這類結構采用了任何材料的圍護層，譬如，玻璃幕墻結構、膜結構等，都歸屬于預應力鋼結構學科。
二、預應力鋼結構有哪些優點？
預應力鋼結構的主要優點有四個。一是可以充分、反復地利用鋼材彈性強度幅值，從而提高結構承載能力。傳統鋼結構的承載力是從材料的零應力狀態開始，逐漸加載而達到材料設計強度而終止受力的，其承載力即為結構承受各種荷載的總和。而預應力鋼結構承載力則始于預應力產生的負應力狀態。預應力鋼結構受載后，材料經過負應力→零應力→正應力→設計強度應力，達到結構的承載力終值。所以，結構承載力提高部分是由材料從負應力至零應力這一階段貢獻的。多次預應力鋼結構具有多次從負應力至零應力的受載過程，因此，其能多次作出貢獻，所以具有更大的承載能力。
二是可以改善結構受力狀態，降低應力峰值。譬如，受彎構件中的峰值彎矩，可以通過增加撐桿施加預應力，將部分彎矩轉換為軸向力。因此，將彎矩峰值降低，并減小構件截面，甚至利用預應力技術創造出零彎矩的橫向結構體系，如索穹頂。
三是可以提高結構剛度及穩定性，改善結構的各種屬性。預應力產生的結構變形常與荷載下變形反向，因而結構剛度得以提高。由于布索而改變結構邊界條件，可以提高結構穩定性。預應力可以調整結構循環應力特征而提高疲勞強度。降低結構自重而減小地震荷載，從而提高其抗震性能等。
四是可以降低用鋼量，節約成本。挖掘鋼材強度潛力，改善結構邊界條件，優化結構桿件、截面尺寸，創新承重結構體系等優勢的總和，必然反映在降低鋼材總量上。在保證結構承載和使用功能的前提下，節約材料消耗量、降低成本，就是設計人員在本職工作中體現“低碳經濟”、“綠色建筑”理念的大事。
三、預應力鋼結構的經濟效益如何？
預應力鋼結構的經濟性與結構體系類別、布索方案與工藝、荷載性質與力度、結構構造與節點、安裝方法與材料價格等眾多因素有關。正常情況下，預應力鋼結構比傳統鋼結構采用單次預應力可節約10%～20%的鋼材；采用多次預應力可節約30%～40%的鋼材。而預應力創新體系結構與傳統結構相比要節約鋼材50%以上或更多。總之，結構材料中的強度潛力越大，采用預應力的經濟效益越高。譬如，在實腹梁截面重心軸附近存有大量強度潛力，采用預應力后其經濟效益同比格構梁要高許多。
四、國內外一些預應力鋼結構工程比較，其經濟性怎樣？
傳統結構型的預應力鋼結構工程，節省鋼材的比例較少，譬如，1995年建成的廈門太古機場機庫采用的是拉桿拱架，省鋼率20%。創新型的工程節省鋼材的比例較多，譬如，2011年建成的鄂爾多斯體育中心采用的是索穹頂，每平方米的用鋼量為15千克。單次預應力鋼結構省鋼少些，譬如，1984年建成的天津寧河體育館采用的是四邊形平板網架，省鋼率12%。多次預應力鋼結構節約材料多些，譬如，1994年建成的四川攀枝花市體育館采用的即是多次預應力網殼，省鋼率38%。格構式結構省鋼率小些，譬如，1953年建成的比利時布魯塞爾機場機庫，采用的是雙跨連續桁架，省鋼率12%。而材料潛能較大的實腹式結構則節材多些，譬如，1959年建成的前蘇聯羅斯托夫頓河公路橋，采用的是多跨連續實腹梁，省鋼率18%。
五、預應力鋼結構有哪幾種類型？
從早期預應力吊車梁、撐桿梁的簡單形式發展到目前張弦桁架、張弦穹頂、索彎頂、索膜結構、玻璃幕墻等現代結構，預應力鋼結構種類繁多形式新穎，大致歸納為四類。
一是傳統結構型。在傳統的鋼結構體系中，布置索系施加預應力以改善應力狀態、降低自重及成本。譬如，預應力桁架、網架、網殼等。像天津寧河體育館、攀枝花市體育館及北京奧運羽毛球館的預應力網架、網殼屋蓋。目前，國內外的候機樓、會展中心均廣泛地采用張弦立體桁架也歸入此類。另一種是工程中應用已久的懸索結構，譬如，北京工人體育館、浙江人民體育館等。其結構由承重索與穩定索兩組索系組成，施加預應力的目的不是降低與調整內力，而是賦予與保證結構剛度。
二是吊掛結構型。結構由豎向支承體系(立柱、門架、拱架等)、吊索及屋蓋三部分組成。支承體系高出屋面，于其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對吊索施加預應力以調整屋蓋內力，減小撓度并形成屋蓋結構的彈性支點。由于支承體系及吊索暴露于大氣之中，直指藍天，所以又稱暴露結構。譬如，江西體育館、北京朝陽體育館、杭州黃龍體育場及長春體育場等。
三是整體張拉型。屬創新結構體系，跨度結構中摒棄了傳統受彎構件，全部由受張索系及膜面和受壓撐桿組成，其屋面結構極輕，設計構思新穎，是先進結構體系中的佼佼者，譬如，漢城及亞特蘭大奧運主賽館、慕尼黑奧運體育館建筑群以及內蒙古自治區鄂爾多斯伊旗索穹頂體育中心。
四是張力金屬膜型。金屬膜片固定于邊緣構件之上，既可作為圍護結構，又作為承重結構參與整體承受荷載。或在張力態下，將膜片固定于骨架結構之上，形成空間塊體結構，復蓋跨度，兩者都是在結構成型理論指導下誕生的預應力新型體系。此類型已應用于1980年莫斯科奧運會的幾個主賽場館中，國內尚未建成此類結構體系。
六、施加預應力的方法有哪些？
施加預應力的方法有以下四類：一是鋼索張拉法。在結構體系中布置索系，通過千斤頂張拉索端，因而在結構中產生卸載應力而受益。這是國內外應用廣泛、技術成熟的一種工藝。但索端須有錨頭固定，增大材耗，除需要張力設備等外，還需要加大施工成本。二是支座位移法。在連續梁、剛架和其它超靜定結構中，人為地強迫支座位移(垂直或水平移位)，改變支座設計位置，可調整內力，降低彎矩峰值，減小結構截面面積。這種方法可節省鋼索、錨頭等附加材耗及張拉工藝，適用于地基基礎較好的工程。三是彈性變形法。鋼材在彈性變形條件下，將組成結構的桿件和板件用焊接或螺栓連成整體。在卸除強制外力后，結構內出現恢復力產生的有益預應力。
四是手工簡易法。用于中、小跨鋼結構工程中施加張力不大的情況下。譬如，依靠擰緊螺母張拉拉桿，用正反扣螺栓橫向推拉拉索產生張力等。此法工藝簡易可行，便于推廣，適用于缺少機械設備的廣大地區。
七、預應力鋼結構適用范圍有哪些？
凡是鋼結構適用的地方都可以用預應力鋼結構取代，以改善其結構性能，降低鋼材的使用量。在跨度大、荷載重的情況下，采用預應力的經濟效益更為顯著。目前，預應力鋼結構應用廣泛的領域是大跨度建筑結構，譬如，體育場館、會展中心、劇院、商場、飛機庫、候機樓等大型公共建筑。
在高層建筑中也有采用預應力鋼結構的實例，譬如，南非約翰內斯堡市的發展銀行大樓、北京電視中心綜合業務樓以及北京新保利大廈等。此外，在橋梁結構方面預應力應用的也較多，國內外許多懸索橋、斜拉橋都是技術成熟的工程實踐，譬如，2004年年底建成的法國米洛高架橋。高聳構筑物是利用預應力增強結構剛度的又一種類型，這是源于拉索作用能夠大大提高主塔桅結構的水平剛度。把預應力技術用在已使用的鋼結構的加固上更是內容豐富、種類繁多。目前，預應力技術用于輕鋼結構、鋼板結構的研究已經啟動，其在輕型鋼結構房屋中的應用問題，已引起國內有關方面的關注和支持。
八、近年來，預應力鋼結構發展迅速，原因何在？
預應力鋼結構在國內外發展迅速的主要原因有三點：
一是符合工程結構發展趨勢，能夠滿足更大、更輕、更好的技術要求，科技含量高。任何結構體系、計算理論、新型材料、施工工藝發展前進的終極目標，總是要求結構物能跨度大些、自重輕些、性能好些。鋼結構比混凝土結構、磚石結構具有比容重輕、比強度高、加工性好、施工快捷等優點。鋼結構與預應力技術結合后，優點更為突出。預應力鋼結構設計理論完全符合鋼結構成型理論中的兼并功能、材料集中使用、建立張力體系、引入預應力、提高抗震性等諸多原則。經過一些工程實踐考驗后，在行業的認同下，很快就發展成為工程結構學科中的優秀體系。
二是符合加工批量化、構件商品化、施工裝配化的現代工業生產要求。預應力鋼結構的構件均可在工廠生產與組裝，在工地組裝成部件或整體，屋蓋總體一次吊裝就位，可將現場制造工地轉變為裝配工地，將施工空中作業轉換為地面作業，可以完成安全、快速的文明施工。
三是符合可持續發展原則，滿足低碳經濟和綠色建筑的要求。控制對自然資源的過度索取與消耗，改變對不可再生資源的開發與利用是現代經濟發展中應當遵守的理念與追求。預應力鋼結構中的金屬材料可以合理使用、節約使用、反復使用、循環使用，十分符合可持續發展原則。預應力鋼結構與非預應力鋼結構相比可以節約大量材料和投資，鋼材屬于無害、無污染、可回收再使用的綠色材料，不危害生態環境，采用新材料的圍護結構依附于預應力鋼結構之上，使之造型新穎、輕巧靚麗、極富現代氣息。
九、預應力鋼結構既然是一門新的學科，其結構設計應具有哪些新的內容？
預應力鋼結構是一門新的學科，是在鋼結構的基礎上引入預應力而發展起來的。預應力鋼結構設計的基本內容包括九點：一是結構選型與優化；二是施加預應力方法的選擇與論證；三是布索方案的經濟分析；四是張拉階次與力度設計；五是結構體系靜力和動力計算與分析；六是預應力損失及對結構影響；七是結構構件及節點、錨具設計；八是結構模型試驗及分析；九是張拉工藝研究及施工模擬計算。
由此可見，預應力鋼結構比傳統鋼結構的設計內容多，但只要掌握了預應力技術的特點，選定了合理的施加預應力方案及工藝，是不難完成優秀的預應力鋼結構設計的。
十、學結構的，或者是搞預應力混凝土的是不是很容易就可以進行預應力鋼結構的設計了？
鋼結構和預應力鋼結構的設計，在許多方面有共性和相同、相通的地方，但在結構設計的理念、目標、方法、手段等方面又各不相同。尤其在利用預應力技術創建嶄新結構體系上，兩者的設計追求與途徑是大相徑庭的。要掌握預應力鋼結構的知識需要有認真學習的過程，不可能無師自通。我國在采用預應力鋼結構工程的初期，曾出現過一些選型不當的結構體系、比例失調的造型尺寸、不節省鋼材的結構構件等，這些問題完全可以通過加強專業學習、完善團隊建設等措施來改進。
預應力鋼結構、預應力鋼筋混凝土結構與鋼結構和鋼筋混凝土結構一樣，是不同的學科。前者由鋼材構成，施加預應力的目的，除提高結構強度、穩定性、剛度外，主要是創建新型結構體系，賦予柔性結構以剛度，設計出零彎矩桿的嶄新結構體系。而預應力混凝土結構采用預應力的目的，則是延緩混凝土中裂縫的出現并提高結構剛度，只改善結構性能而已，不能改變結構體系。兩者的預應力，除技術有相通之處外，其目的、方法、工藝、力度、構造等皆不相同，存在本質上的差異，混淆不得。所以，只掌握預應力混凝土知識的人，是很難成功地完成預應力鋼結構優秀設計任務的。
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